石墨烯简介

石墨烯的特性及应用

陶庭兴

（安徽大学物理与材料科学学院安徽合肥230039）

摘要：石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体，自2004年首次被发现以来，由于其特殊的单原子层结构及独特的物理、化学特性，迅速成为目前材料科学与凝聚态物理研究的一个热点。本文介绍了近年对于石墨烯的一些研究进展，包括石墨烯的结构特点及各方面的应用，最后对相关领域的发展前景也做了一定展望。

关键词：石墨烯；碳；迁移率；应用

The characteristics and application of graphene

Tao Ting-xing

School of Physics & Material Science, Anhui University, Hefei 230039, China

Abstract Graphene is the free-standing two-dimensional atomic which was first found in 2004 and has been attracting much attention on the horizon of materians science and condensed-matter physics owing to its special single atomic layer structure and unique physical and chemical properties.In this paper,we introduce the research advances of grphene in recent years, including the structure characteristics and all aspects of the application and so on.In the end, the propects for development of graphene in related areas was also introduced.

Keywords graphene ;carbon; migration rate;application；

碳材料是地球上最普遍也是最神奇的一种材料。首先我们知道碳是构成地球上生命体不可或缺的元素，所有的生物都含有大量的碳元素；其次，碳还可以构成许多性质奇特的材料，打个比方，它可以形成世界上最硬的金刚石，也可以形成最软的石墨，这在中学时代我们就已经知晓。然而，碳元素的秘密却远不止如此。

在纳米材料中，碳元素的表现同样令人们惊讶，除了已知的神奇碳纳米管（Carbon Nanotube）和富勒烯（Fullerene）外，还有本篇文章的主题——石墨烯。石墨烯（Graphene）的理论研究已有60多年的历史，它一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在[1] 。但直到2004年，二维结构石墨烯的发现推翻了“热力学涨落不允许二维晶体在有限温度下自由存在”的认知,震撼了整个物理界，他的发现者——英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)成功地利用胶带剥离高定向石墨的方法[2]

获得真正能够独立存在的二维石墨烯晶。两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”而共同获得2010 年诺贝尔物理学奖。实际上，石墨烯正是构成碳纳米管、富勒烯，以致石墨体材料等的基本单元，如图1所示：

图1 构成碳纳米管、富勒烯和石墨体材料的基本单元——石墨烯

自2004 年安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)首次制备出石墨烯以来，石墨烯受到了全世界科学家的广泛关注。到目前为止，关于石墨烯的SCI 文章达到2874 篇，从这我们可以看到石墨烯其巨大的潜在应用的价值，因而迅速成为材料科学和凝聚态物理领域最为活跃的研究前沿。作为一种独特的二维晶体，石墨烯有着非常优异的性能：具有超大的比表面积，机械性能优异，热导率是铜热导率的10 多倍；几乎完全透明，对光只有2.3%的吸收，在电和磁性能方面具有很多奇特的性质，如室温量子霍尔效应双极性电场效应，铁磁性，超导性及高的电子迁移率石墨烯具有优异的电学、热学和力学性能，可望在纳电子器件、优良的太阳能电池、传感器、电容器等领域获得广泛应用。从发现稳定存在的石墨烯到现在的9年多时间里石墨烯在制备方面取得了长足的进步，目前的研究热点已经从获得石墨烯发展到可控地制备石墨烯，如控制石墨烯的形状、尺寸、层数、元素掺杂和聚集形态等。目前制备石墨烯的方法有很多，主要包括机械剥离法、剖开碳纳米管法、化学气相沉积法、还原氧化石墨法和有机合成等方法。

本文主要介绍了近年来科学工作者对于石墨烯的研究进展，包括石墨烯的电子结构、物理、化学特性及在各个领域的应用，最后我们也对碳纳米管的应用前景做了一定展望。

1 结构

与石墨材料的结构相类似，构成石墨烯的每个碳原子分别与其他3个碳原子通过σ键连接在一起。碳原子的排列也与石墨单原子层一样，形成如图2所示的结构，换句话说，石墨烯就是由六角碳原子层组成的蜂窝状二维晶体。

图2 石墨烯的结构

我们知道碳原子的原子核数为6，核外有六个电子，其中四个价电子。石墨烯是由其中的三个碳原子通过sp2杂化，构成的单层蜂窝状二维网格结构[3]，即每个碳原子都贡献一个未成键的电子位于p z轨道，近邻原子的p z轨道与平面成垂直方向可形成π键，此时π键为半充满状态，所以电子可在二维晶体内自由移动。

2 石墨烯的特性

石墨烯是由一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子组成, 是世界

上最薄的二维材料, 厚度仅为头发丝的20万分之一。这种特殊结构蕴含了丰富而新奇的物理现象, 使得石墨烯表现出许多优异的性质。例如, 电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度，电子的运动速度有赖于其迁移率，石墨烯的载流子迁移率可达 15000 cm2⋅V−1⋅s−1, 是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟（InSb）材料的两倍,超过商用硅片迁移率的10倍以上。如果石墨烯能够最终商业化，那么电子世界将会发生一场革命，器件的速度将会更快，更好。石墨烯的强度是最高的, 可达130GPa,，是钢的100多倍；石墨烯几乎完全透明，对光只有2.3%的吸收[3]。石墨烯中各碳原子间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就会弯曲变形，使碳原子不必重新排列来适应外力而保持晶体结构稳定。这种结构使得石墨烯具有很高的热导率（5000Ｗ·m－１·K－１）(金刚石的3倍)和很大的杨氏模量（1.0TPa）。另外,石墨烯还具有室温量子霍尔效应(Hall effect)及室温铁磁性[4]等特殊性质。

石墨烯在电子学上所具有的特性是石墨烯所具有的重要价值。现在电子材料的基础都是硅半导体材料，然而却有一定的欠缺。相比之下，石墨烯有许多优势：硅基的微计算机处理器在室温条件下每秒钟只能执行一定数量的操作（产生热量）,然而当电子穿过石墨烯几乎没有任何阻力,所以其产生的热量也非常少。从上面的分析中我们可以还可以得到石墨烯本身就是一个良好的导热体,可以很快地散发热量。所以如果石墨烯能替代硅，那么性能将获得大幅度提升。速度还不是石墨烯的唯一优点：硅不能分割成小于10 nm 的小片,否则其将失去诱人的电子性能;与硅相比,石墨烯被分割时其基本物理性能并不改变,而且其电子性能还

有可能异常发挥。因而,当硅无法再分割得更小时,比硅还小的石墨烯可继续维持摩尔定律,从而极有可能成为硅的替代品推动微电子技术继续向前发展[5]。由于石墨烯具有性能优异、成本低廉、可加工性好等众多优点, 人们普遍预测石墨烯在电子、信息、能源、材料和生物医药等领域具有重大的应用前景, 可望在21世纪掀起一场新的技术革命。